复合材料拉挤成型实例

复合材料成型与加工技术曾竟成教授杜刚讲师第9章拉挤制备技术（PultrusionProcess）9.1拉挤制备技术含义：拉挤成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续纤维束、带或布等，在牵引力的作用下，通过挤压模具成型、固化，连续不断地生产长度不限的玻璃钢型材。这种工艺最适于生产各种断面形状的型材，如棒、管、实体型材（工字形、槽形、方形型材）和空腹型材（门窗型材、叶片等）等。（1）自动化、连续化生产工艺；（2）生产效率高，可多模多件；（3）拉挤制品中纤维含量可高达80%，浸胶在张力下进行，能充分发挥连续纤维的力学性能，产品强度高；（4）制品纵、横向强度可任意调整，可以满足不同力学性能制品的使用要求；（5）制品性能稳定可靠，波动范围在±5％之内；（6）原材料利用率在95％以上，废品率低；（7）不能利用非连续增强材料；（8）产品形状单调，只能生产线形型材（非变截面制品），横向强度不高。9.2拉挤成型的特点9.3目前主要的拉挤制品（部分制品实例及应用）9.4拉挤成型工艺分类1.卧式拉挤成型工艺（1）间歇式牵引机构间断工作，浸胶的纤维在热模中固化定型，然后牵引出模，下一段浸胶纤维在进入热模中固化定型后，再牵引出模。主要特点：成型物在模具中加热固化，固化时间不受限制。生产效率低，制品表面易出现间断分界线。（2）连续式牵引机构连续工作。主要特点：牵引和模塑过程均连续，生产效率高。成型制品质量关键是控制凝胶时间和固化程度、模具温度和牵引速度。2.立式拉挤成型工艺宜生产空腹型材。9.5拉挤制备技术的流程分布(1)纤维区(2)浸渍区(3)预成型区(4)固化区(5)拉拔区纤维区：以E-glass为主，和较高性能的S-glass及carbon。纤维的形态主要有粗纱（roving），短切毡(mat)，及表面毡(surfacingveil)，平面织物等。浸渍区：预成型区(preformingarea)：（1）赋于概略形状，可以降低纤维束与固化模入口处的摩擦与多余树脂。（2）赋于纤维束、mat、或其它补强材适当的位置，以进入固化模。固化区：拉挤模具(die)：赋于工件的形状加热装置：电热板电波加热热油循环辅助加热：在含浸纤维入模口之前先行预加热（微波加热）。优点：树脂所需热传导的时间缩短，模具长度可以缩短，用于大型工件。典型的模具长度在30～150cm之间；模具材料：工具钢；模具形式：整体式、组合式、悬垂式（空腹结构）拉拔区：拉拔区提供工件拉挤时所需的拉拔力与速度控制，拉拔的方式主要有两种履带式(caterpillar)及往覆式(reciprocating)，和环型迥旋式拉拔机构（结合了拉拔与卷曲）。履帶式拉拔机构往覆式拉拔机构往复式拉拔机构环形拉挤成型机一般由预成型模和成型模两部分组成。①预成型模具：在拉挤成型过程中，增强材料浸渍树脂后（或被浸渍的同时），在进入成型模具前，必须经过由一组导纱元件组成的预成型模具，预成型模的作用是将浸胶后的增强材料，按照型材断面配置形式，逐步形成近似成型模腔形状和尺寸的预成型体，然后进入成型模，这样可以保证制品断面含纱量均匀。②成型模具：成型模具横截面面积与产品横截面面积之比一般应大于或等于10，以保证模具有足够的强度和刚度，加热后热量分布均匀和稳定。拉挤模具长度是根据成型过程中牵引速度和树脂凝胶固化速度决定，以保证制品拉出时达到脱模固化程度。一般采用钢镀铬，模腔表面要求光洁，耐磨，借以减少拉挤成型是的摩擦阻力和提高模具的使用寿命。模具设计的好坏，直接影响拉挤过程中所用牵引力大小，若牵引阻力过大，易造成机械事故。经常因某段模具被拉毛，表面不够光滑，树脂易固化，造成牵引机履带与轮之间打滑，致使玻璃纤维都固化在模具中，牵引机拉不动。9.6拉挤成型模具空腹型材模具示意图成型模具按结构形式可分为整体成型模具和组合式成型模具两类。整体模具是由整体钢材加工而成，一般适用于棒材和管材。组合成型模具有上、下模对合而成。这种类型的模具易于加工，可生产各种类型的型材，但制品表面有分型线痕迹。空腹制品采用芯模。芯模一端固定，另一端悬臂伸入上、下模所形成的空间，与上、下模一起构成产品所需的截面形状。为减少脱模时芯模产生的阻力，芯模尾部加工成1/300~1/200的锥度，较大的芯模应考虑采用模心加热装置。特性钢号高耐磨GCr9、Cr12、Cr12MoV、Cr5Mo1V低变形T13、9Mn2V、CrWMn加工性好T12、4CrMo、WCrV渗碳、渗氮20Cr、12CrNi2、20Mn2、20CrMnTi预硬型40Cr、38VrMoAl、3Cr2Mo、38CrMnAlA淬硬型4CrB、9MnZY、T7耐冲击型6CrW2Si、5CrNiMo拉挤模具用钢分类9.7拉挤成型用增强材料用于拉挤制品的增强材料多为玻璃纤维及其织物，如无捻粗纱、布带和各种毡。无捻粗纱：不产生悬垂现象，集束性好，易被树脂浸透，力学性能较高；玻璃纤维毡：有能承受牵引力的足够强度。拉挤制品横向增强的主要方法：玻璃纤维毡和纤维织物，纤维环向缠绕或螺旋缠绕（过去）；纤维针织物（现在）。纤维针织物：以单束纱线连续围绕交叉的形式重叠在一起，并相互缠结固定。针织物单重均匀，强度高，弹性好且不易悬垂，可以提高制品的冲击强度和剪切强度，并可加工成定向或三向织物。9.8拉挤成型工艺参数工艺参数：模腔温度、树脂温度、模腔压力、树脂粘度、固化速度、固化程度、牵引张力及速度、纱团数量等。模腔温度：用于拉挤的树脂体系对温度敏感，模腔温度控制严格。温度低，树脂不能固化，温度过高时，坯料一入模就固化，使成型、牵引困难，严重时会产生废品甚至损坏设备。50100150200250300ABA－模具初始温度B－工艺过程中最佳温度模腔温度分布曲线基于UP/复合型引发剂的固化工艺特性，将模具分为加热温度不同的三个区段。（1）预热段使增强材料浸渍的树脂匀化。（2）固化段使树脂体系从粘稠态经凝胶态、橡胶态而迅速固化。（3）离型段减少温差对型材的内应力和体积收缩的影响。由于模具长度一定，加热设备长度也一定，故制品的固化温度和时间主要取决于树脂的引发固化体系。通用的不饱和聚酯树脂，多采用有机过氧化物为引发剂，其固化温度一般要略高于有机过氧化物的临界温度。若采用协同引发剂体系，则通常是通过不饱和聚酯树脂固化放热曲线来确定。一般地，模具的温度应大于树脂的放热峰值，温度的上限是树脂的降解温度。同时做树脂的凝胶试验，保证温度、凝胶时间、拉速应当匹配。牵引速度：是平衡固化程度和生产速度的参数。在保证固化度的条件下应尽可能提高牵引速度。牵引力：是保证制品顺利出模的关键，牵引力的大小由制品与模具之间的界面上的剪切应力确定。温度参数、拉挤速度、牵引力在三个参数中，温度参数是由树脂系统的特性确定的，是拉挤工艺中首要解决的因素。通过树脂固化体系的放热曲线的峰值和有关条件，确定模具加热的各段温度值。拉挤速度确定的原则是在给定的模内温度下的凝胶时间，保证制品在模具中部凝胶、固化。牵引力与模具温度关系很大，并受拉挤速度的控制。脱模剂的影响也是重要因素。建立拉挤模具温度传递模型，利用计算机辅助设计可以确定最佳的模具温度分布及分析。9.9拉挤制品常见的缺陷及改进措施缺陷部位现象原因鸟巢增强纤维在模具入口处相互缠绕，导致制品在模具内破坏。纤维断了纤维悬垂的影响树脂粘度高纤维粘附着的树脂太多牵引速度过高模具入口设计不合理固化不稳定在模具内粘附力突然增加，可引起制品在模具内破坏。牵引速度过高由预固化引起的热树脂突然回流表观粗糙表面光洁度差，起鳞。玻璃纤维量不足固化区应力太高，产生爬行蠕动粘模部分制品与模具粘附，使制品拉伸破坏纤维体积含量低，填料加入量少内脱模剂效果不好或用量太少未完全固化速度太快温度太低模具太短树脂体系选择不恰当白粉制品出模后，制品表面附着白粉状物模具内表面光洁度差脱模时，产品粘模，导致制品表面损伤沟痕，不平制品的平面部分不平整，局部有沟状痕迹纤维含量低，局部的纤维纱过少模具粘制品，划伤制品白斑含有表面毡，连续毡的制品表层，出现局部发白或露有白纱现象纱和毡浸渍树脂不完全，毡层过厚，或毡的本身性能不好有杂志混入，在毡层间形成气泡制品表面树脂层过薄裂纹制品表面有微小裂纹裂纹只在表层，树脂层过厚产生表层裂纹；树脂固化不均引起热应力集中，形成应力开裂。表面起毛纤维露出制品表面纤维过多树脂与纤维不能充分粘结表面起皮、破碎留树脂层过厚模具内压力不够纤维含量太少制品弯曲、扭曲变形制品固化不均，非同步，产生固化应力制品出模后压力降低，在应力作用下变形制品里的材料不均匀，导致固化收缩程度不同出模时制品未完全固化，在牵引力作用下产生变形。实例1拉挤玻璃钢窗框模具的设计（南玻纤院）1.拉挤玻璃钢窗框的前景20世纪80年代初开发（加拿大）；20世纪90年代，扩展到美国、俄罗斯、德国、日本等国；我国是建筑窗框产量最多的国家。2.拉挤玻璃钢窗框的工艺材料：UP树脂＋玻璃纤维＋短切毡＋表面毡；温区控制：根据UP放热曲线确定；拉挤速度；纱量；树脂配方。3.1模具的选材（1）较高的强度，耐疲劳性和耐磨性；（2）较高的耐热性和较小的热变形性；（3）良好的耐腐蚀性；（4）良好的切削性和表面抛光性能；（5）受热变形小，尺寸稳定性好。3.拉挤玻璃钢窗框模具3.2分型面的选择在满足模具制造的前提下，尽量减少分型面，保证合缝严密。3.3模具入口设计模具入口处周边设计1/4倒角，带有锥度（角度在5～8°，长度在50～100mm）3.4模具尺寸的确定目前国内模具长度一般设计为900mm左右。一般模具厚度为制品厚度的2～3倍。玻璃钢窗框型材大多是中空制品，一般芯模具的有效长度为模具长度的2/3～3/4，而在拉挤工艺过程中要考虑到芯棒固定及调整以及防止偏心，此外芯棒还要考虑到配重的问题，对于模具长度为900mm左右的模具，芯棒的长度可设计为1200mm左右。实例2玻璃钢型材－槽钢拉挤成型制备项目来源：株洲广缘火车线槽拉挤槽钢各部分位置示意图预成型模成型模具浸胶槽集束板纱架拉拔机构导向板1.金属模具制备由株洲广缘通过专业的拉挤模具设计公司制备151.6713增强材料形式：2400Tex玻璃纤维粗纱＋短切毡（面密度）2.拉挤槽钢纤维用量计算前提条件：玻璃纤维无捻粗纱：2400TEX纤维体积含量（不计短切毡所占体积）：45％（1）计算模具横截面积A（模）＝（71－3）×3×2＋151.6×3＝863（mm2）（2）计算单根玻璃纤维的横截面积A（纱）＝2.4/2.35/100≈1（mm2）（3）纤维在模具中所占的截面积A（纱－模）＝0.45A=388（mm2）（4）计算纱量N＝A（纱－模）/A（纱）≈388（根）（5）实际排纱量实际排纱：320根（避免短切毡的堵模）3.预成型模设计与制备4.拉挤工艺树脂配方材料体系数量（质量/g）196＃UP100内脱模油2硬脂酸锌1固化剂10.8固化剂21.2Al(OH)325~30蓝色色浆2~35.成型模具加热区温度设定135℃170～175℃95℃加热一区加热二区加热三区6.工艺流程选定树脂配方体系确定树脂体系的固化温度区间根据设计图纸制备金属模具配纱，安装模具模具加热区三区温度设定根据模腔尺寸计算纱用量设计预成型模和分纱导向板设定牵引速度、牵引压力试拉观察制品表面情况，继续或改进实例3：拉挤成型固化剂选择